自然能地下停車場換氣裝置

周鑫博 曹振宇

一、項目背景

地下停車場傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)主要由電能驅(qū)動，采用全面通風(fēng)方式，即根據(jù)劃分的若干個防火分區(qū)設(shè)計若干個送、排風(fēng)系統(tǒng)?；馂?zāi)發(fā)生時，這些系統(tǒng)還是排煙系統(tǒng)。

為保證排風(fēng)效果，送、排風(fēng)系統(tǒng)都由大的通風(fēng)管道構(gòu)成，排風(fēng)口均勻分布。通風(fēng)管道占用空間大，使地下停車場的使用率降低。

一天，我們相約一起去玩，當(dāng)進(jìn)入地下停車場時，覺得這里的空氣質(zhì)量欠佳，感覺很不舒服。之后，通過對長沙市中海閱麓山二期、江山帝景等6個小區(qū)的地下停車場的通風(fēng)設(shè)備和使用情況進(jìn)行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)這些地下停車場都裝有通風(fēng)系統(tǒng)，但在調(diào)查期間通風(fēng)系統(tǒng)從未開啟。有些地下停車場的通風(fēng)管道因長期未工作，變得銹跡斑斑。

走訪物業(yè)公司，我們得知地下停車場通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)常閑置未用的原因在于能耗過大。

我們還發(fā)現(xiàn)，一些老舊的地下停車場不具備安裝通風(fēng)換氣裝置的條件，通風(fēng)不暢，汽車尾氣和某些設(shè)備因霉變散發(fā)的氣味令人不舒服。

于是我們有了一個想法：設(shè)計自然能驅(qū)動的地下停車場換氣裝置，既能解決地下停車場空氣質(zhì)量差的問題，又能解決傳統(tǒng)通風(fēng)換氣裝置能耗過大的問題。我們把這個想法告訴了老師，得到了老師的極大鼓勵，接著我們開始探究。

二、設(shè)計思路

通過自然能——風(fēng)能和太陽能驅(qū)動鼓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，利用二氧化碳傳感器感應(yīng)地下停車場空氣中二氧化碳的濃度，用Arduino控制板控制鼓風(fēng)扇工作，向地下停車場鼓風(fēng)。多余的電能可以存儲起來，方便在晚上或無風(fēng)的陰雨天為地下停車場換氣工作供能。

根據(jù)目前居室空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)二氧化碳傳感器檢測地下停車場內(nèi)二氧化碳的濃度達(dá)到500 ppm時，啟動通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行換氣；當(dāng)二氧化碳傳感器檢測地下停車場內(nèi)二氧化碳的濃度達(dá)到320 ppm時，關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，達(dá)到節(jié)能的目的。

三、測試實驗

（一）通風(fēng)管道通風(fēng)口風(fēng)速測試

為了使地下停車場各處的換氣速率保持一致，我們考慮將通風(fēng)管道模型設(shè)置成“工”字形，并在通風(fēng)管道上設(shè)計等距的通風(fēng)口。

我們用紙盒制作通風(fēng)管道模型，在通向地面的排風(fēng)管安裝一個小型風(fēng)機，用測風(fēng)儀測量每個通風(fēng)口的風(fēng)速，測量3次，測量結(jié)果取平均值，具體數(shù)值見表1。

雖然通風(fēng)口是均勻分布的，但各個通風(fēng)口的風(fēng)速不同，這會導(dǎo)致地下停車場各處換氣不均勻。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)各通風(fēng)口風(fēng)速不同的原因是其與風(fēng)機的距離不同。

針對上述問題，我們在各個通風(fēng)口安裝調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)通風(fēng)口與風(fēng)機的距離調(diào)節(jié)各通風(fēng)口的開合度。之后我們又用測風(fēng)儀測量每個通風(fēng)口的風(fēng)速，測量3次，測量結(jié)果取平均值，具體數(shù)值見表2。

結(jié)果顯示，各個通風(fēng)口的風(fēng)速基本一致，可實現(xiàn)地下停車場換氣均勻的目的。

（二）風(fēng)機測試

為了在陰雨天充分利用風(fēng)能，將水平方向的風(fēng)轉(zhuǎn)成垂直方向的風(fēng)，讓風(fēng)直接吹入地下停車場，我們在氣象站的風(fēng)速儀的啟發(fā)下，不斷嘗試與改進(jìn)，設(shè)計了渦輪風(fēng)機。渦輪風(fēng)機能獲取任何方向的水平風(fēng)。

我們在垂直于地面的通風(fēng)管道內(nèi)安裝扇葉，在任何方向的水平風(fēng)的吹動下，渦輪風(fēng)機沿垂直軸線方向轉(zhuǎn)動，從而帶動通風(fēng)管道內(nèi)的扇葉轉(zhuǎn)動，向地下停車場送風(fēng)，實現(xiàn)在無陽光的夜晚或陰雨天都能對地下停車場進(jìn)行全天候換氣。

我們拿渦輪風(fēng)機模型進(jìn)行測試，測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期目的。

四、制作裝置

我們先準(zhǔn)備制作材料——低壓Arduino控制板、二氧化碳傳感器、繼電器、紅色與綠色指示燈、太陽能電池板、鼓風(fēng)扇、充電電池、控制盒等，再根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)圖，將它們與各通風(fēng)口裝有調(diào)節(jié)裝置的通風(fēng)管道、渦輪風(fēng)機組裝在一起。

垂直的導(dǎo)風(fēng)管連通地下停車場的通風(fēng)管道，導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)安裝鼓風(fēng)扇，導(dǎo)風(fēng)管上面安裝渦輪風(fēng)機，渦輪風(fēng)機由支架固定，渦輪風(fēng)機上方裝有太陽能電池板。低壓Arduino控制板、二氧化碳傳感器、繼電器等置于控制盒內(nèi)。

接著，我們利用Mind+模塊化編程軟件編寫程序，控制通風(fēng)設(shè)備的開啟與關(guān)閉。

五、創(chuàng)新點

本項目解決了目前地下停車場通風(fēng)換氣系統(tǒng)因能耗過大成擺設(shè)的問題，裝置充分利用自然能將任意方向的水平風(fēng)轉(zhuǎn)變成垂直向下的風(fēng)，全天候?qū)Φ叵峦＼噲鲞M(jìn)行換氣，既可保障地下停車場的空氣清新，有利于人們的身體健康，又能實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

本項目通過測試確定了自然能地下停車場換氣裝置的基本參數(shù)，保證裝置的靈敏性和可靠性。

本項目的推廣使用，具有重要的實際價值與意義。同時，為地下停車場或地下場所基于節(jié)能環(huán)保的通風(fēng)升級提供參考。（指導(dǎo)老師：劉露? ?楊明蓬? ?黃君）

專家點評

周鑫博、曹振宇同學(xué)的自然能地下停車場換氣裝置是一項創(chuàng)新實踐作品。這是因為：許多地下停車場的換氣設(shè)備齊全，運行還是很通暢的，只有個別的沒運轉(zhuǎn)；利用太陽能、風(fēng)能給地下停車場通風(fēng)的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠纭疤柲艿叵峦L(fēng)換氣裝置”“一種節(jié)能環(huán)保通風(fēng)換氣裝置”等已有多項。不過，兩位同學(xué)能從自身經(jīng)歷出發(fā)，發(fā)現(xiàn)地下停車場通風(fēng)不暢的情況，隨后進(jìn)行調(diào)查，并針對這個問題進(jìn)行了長時間的探索，還完成了相關(guān)模型制作、實驗等，這對他們科學(xué)知識的拓展及解決問題能力的提升，無疑是很有幫助的，值得肯定。

這個項目可引發(fā)我們的思考：其一，在科創(chuàng)活動中，怎樣才能保證我們提出的是一個具有新穎性的實際問題？其二，關(guān)于地下停車場通風(fēng)設(shè)備的新技術(shù)已有應(yīng)用案例，我們?nèi)绾纬剑呦蛘嬲膭?chuàng)新？其三，自然能不僅有風(fēng)能、太陽能，還有地?zé)崮?、雷電能、生物能等，作品的?biāo)題是否能更具客觀與準(zhǔn)確性？

本期點評專家

譚迪熬? 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>